Onderzoekers hebben een revolutionaire doorbraak bereikt in de simulatie van sterrenstelsels. Voor het eerst hebben ze met succes een simulatie uitgevoerd die meer dan 100 miljard sterren bevat en de veranderingen gedurende 1 miljard jaar in slechts 115 dagen kan modelleren.
Het team, geleid door professor Keiya Hirashima van het RIKEN interdisciplinaire theoretische en wiskundige wetenschapscentrum in Japan, heeft samengewerkt met onderzoekers van de Universiteit van Tokio en de Universiteit van Barcelona in Spanje. Deze omvangrijke simulatie, gepresenteerd op het internationale congres Supercomputing 2025 (SC25), is de grootste tot nu toe en overstijgt eerdere modellen die slechts een fractie van het aantal sterren konden simuleren.
Traditionele astrofysica baseert zich voornamelijk op observaties, omdat het direct reproduceren van kosmische verschijnselen onrealistisch is. Astronomen hebben lang geprobeerd om simulaties van sterrenstelsels op te zetten om hun theorieën over de vorming en evolutie van sterrenstelsels te onderbouwen.
De complexiteit van deze simulaties is enorm. Ze moeten rekening houden met een breed scala aan processen, zoals gravitatie, fluïdynamica, supernova-explosies en de synthese van elementen. Dit alles gebeurt over zeer verschillende tijd- en ruimte-schaal.
Tot nu toe konden bestaande simulatiemodellen slechts sterrenstelsels modelleren met een totale massa gelijk aan die van 1 miljard zonnen. Dit beperkt de nauwkeurigheid tot alleen gemiddelde veranderingen, waardoor ze niet in staat waren om grote kosmische gebeurtenissen nauwkeurig te simuleren.
Daarnaast is er een kwestie van tijd. De simulatie van een sterrenstelsel met individuele sterren heeft een hoge resolutie nodig, wat leidt tot een schatting van 36 jaar om 1 miljard jaar evolutie te simuleren met bestaande technologie. Dit is eenvoudigweg onwerkbaar.
Het onderzoeksteam gebruikte een combinatie van fysieke simulaties en AI deep learning modellen om deze uitdagingen aan te pakken. Door de deep learning modellen te trainen met high-res supernova simulaties, kunnen ze nu de expansie van gas na een explosie voorspellen.
Met de nieuwe simulatie, die gebruik maakt van 7.147.200 CPU-kernen, zijn ze erin geslaagd om niet alleen de veranderingen in het sterrenstelsel, maar ook kleinere, belangrijke gebeurtenissen zoals supernova-explosies gelijktijdig te modelleren. Dit heeft geleid tot een aanzienlijke verkorting van de benodigde simulatie tijd van 36 jaar naar 115 dagen voor een miljard jaar evolutie.
Deze innovaties kunnen ook bredere implicaties hebben, zoals het modelleren van complexe systemen zoals klimaatverandering en weersvoorspellingen. Professor Hirashima benadrukt dat de integratie van high-performance computing en AI een fundamentele verandering teweeg kan brengen in de manier waarop we problemen in de computationele wetenschappen aanpakken.
